Введение В Реакторы Периодического Действия: Основы И Приложения

Вы когда-нибудь задумывались о том, как происходят химические реакции, из которых получаются лекарства и топливо?

Вы знаете, что эти реакции не происходят сами по себе, потому что вы студент инженерного факультета или инженер.

Им нужны точные условия, тщательно отмеренные количества реагентов и катализаторов и правильный тип реактора.

Реактор периодического действия помогает в этом.

Реактор периодического действия является важным инструментом для любого инженера-химика, потому что он может проводить широкий спектр реакций, и условия этих реакций можно очень точно контролировать.

В этой статье я подробно расскажу о реакторах периодического действия, расскажу об их деталях, преимуществах и использовании.

Являетесь ли вы опытным инженером или только начинаете, эта статья предоставит вам информацию, необходимую для понимания реакторов периодического действия и того, насколько они важны в мире химического машиностроения.

Введение в реакторы периодического действия

Формальное определение:

Химический реактор, в который вводят реагенты и катализатор в нужных количествах, а сосуд затем закрывают для подачи дополнительного материала.

Реакторы периодического действия — это гибкие машины, которые можно использовать для множества различных технологических операций.

Вот некоторые из наиболее распространенных вещей, которые делают реакторы периодического действия:

Твердые вещества можно растворять в жидкостях с помощью реакторов периодического действия.

Твердые вещества и растворитель помещают в реактор и смесь перемешивают до тех пор, пока все твердые вещества не растворятся.

• Cмешивание продуктов: реакторы периодического действия используются для смешивания различных продуктов для получения желаемой смеси.

Это может быть полезно в пищевой промышленности и производстве напитков, где различные ингредиенты смешиваются для получения определенного продукта.

• Химические реакции: Большинство химических реакций происходит в реакторах периодического действия.

После добавления реагентов в реактор смесь оставляют реагировать на установленное время.

По окончании партии изделия вынимаются.

• Периодическая дистилляция: реакторы периодического действия также можно использовать для периодической дистилляции, которая представляет собой способ разделения частей смеси на основе их температур кипения.

Преимущества и недостатки реакторов периодического действия

Реакторы периодического действия имеют ряд преимуществ, таких как:

Реакторы периодического действия универсальны, потому что они могут выполнять более одной задачи в одном корпусе без нарушения герметичности.

Реакторы периодического действия могут производить разные продукты в одном и том же реакторе, потому что их можно использовать более чем для одной цели.

• Высокая конверсия: реагенты могут оставаться в реакторе в течение длительного времени, что приводит к высокой конверсии.
• Простота изготовления и замены: реакторы периодического действия довольно легко изготовить и изменить.

Но у реакторов периодического действия также есть некоторые проблемы, такие как:

• Обратное смешивание: Обратное смешивание происходит, когда материал не вынимается до окончания реакции.

Это сокращает срок службы катализатора и приводит к большому количеству отходов.

• Ограниченное количество: реакторы периодического действия — не лучший способ производить сразу много продукта.
• Изменчивость продуктов: продукты, производимые реакторами периодического действия, могут отличаться от одной партии к другой.
• Трудности с крупномасштабным производством: реакторы периодического действия не годятся для одновременного производства большого количества продуктов.
• Дороговизна в эксплуатации: реакторы периодического действия необходимо часто включать и выключать, что делает их эксплуатацию дорогостоящей.

Конструктивные особенности реакторов периодического действия

Реакторы периодического действия состоят из некоторых схожих частей, таких как:

• Порты для ввода реагентов и удаления продуктов: Реакторы периодического действия имеют порты для ввода реагентов и удаления продуктов.
• Теплообменник или система перемешивания: к реактору периодического действия можно добавить теплообменник или систему перемешивания.
• Постоянный объем: реакторы периодического действия обычно имеют постоянный объем, но некоторые из них сделаны так, что объем можно изменять для поддержания постоянного давления.

Короче говоря, реакторы периодического действия представляют собой простые емкости, которые используются в обрабатывающих производствах для решения широкого круга задач.

Они универсальны, их можно использовать для нескольких целей, они имеют высокие коэффициенты конверсии, их легко создавать и изменять.

Но у них также есть некоторые проблемы, такие как обратное смешивание, ограниченное количество, разные продукты, трудности с их изготовлением в большом количестве, короткий срок службы катализатора и отходы.

Реакторы периодического действия часто используются для небольших работ, тестирования новых методов и производства дорогих товаров.

Они также часто используются в лабораториях для мелкосерийного производства и для запуска процесса ферментации напитков.

Принимая непредсказуемость: Волнение и риски реакторов периодического действия

Все еще трудно понять? Немного изменю точку зрения:

Химики, обратите внимание! Хотите, чтобы ваша работа была более интересной? Устали от того, что одно и то же происходит снова и снова? Все, что вам нужно, это реактор периодического действия.

Реактор периодического действия идеально подходит для хаоса, непредсказуемости и, возможно, даже небольшого волнения, потому что вы можете добавлять реагенты и катализаторы в нужных вам количествах, а затем закрывать сосуд, чтобы предотвратить попадание большего количества материалов.

Кто заботится о контроле и последовательности? Примите тот факт, что реактор периодического действия трудно предсказать, и посмотрите, куда он вас приведет.

Хорошо, это была просто шутка, сделанная, чтобы выглядеть как телевизионная реклама.

Теперь вернемся к объяснению.

Компоненты реакторов периодического действия

Реакторы периодического действия — это сосуды, которые используются в обрабатывающей промышленности для растворения твердых веществ, смешивания продуктов, проведения химических реакций и дистилляции партиями.

Корпус реактора, реакционная среда, свободное пространство и мешалка являются четырьмя основными частями.

Корпус реактора

Основной частью реактора периодического действия является корпус реактора, который часто изготавливается из стали, нержавеющей стали, футерованной стали, стекла или экзотического сплава.

Он может быть меньше 1 литра или больше 15 000 литров.

В большинстве случаев жидкости и твердые вещества попадают в реактор через отверстия в верхней крышке.

Пары и газы выходят из отверстий в верхней части, а жидкости – из отверстий в нижней части.

Реакционная среда

То, в чем протекает реакция, называется реакционной средой.

В зависимости от типа проводимой реакции она может быть в газовой фазе, жидкой фазе или жидкостно-твердой фазе.

свободное пространство

Cвободное пространство — это пустое пространство над средой.

Это дает место для газа или пара, которые образуются во время реакции.

Мешалка

Мешалка необходима для смешивания различных частей и добавления или отвода тепла от реакции.

В зависимости от типа реакции он может быть оснащен осевыми или радиальными рабочими колесами для обеспечения различных типов смешивания.

Преимущества и проблемы реакторов периодического действия

Одна из лучших особенностей реакторов периодического действия — их гибкость.

Одно судно может выполнять ряд различных задач, не нарушая условий содержания.

Это полезно при работе с токсичными материалами, поскольку снижает риск травмирования рабочих.

Но у реакторов периодического действия есть некоторые проблемы, такие как обратное смешивание, которое может ухудшить качество продукта, потому что реагенты не распределяются равномерно в сосуде.

Проектирование и определение размеров реакторов периодического действия

При проектировании и расчете реактора периодического действия для определенной реакции необходимо учитывать несколько вещей.

К ним относятся кинетика реакции, теплоперенос, массоперенос, перемешивание и фазовое поведение.

Конструкция должна обеспечивать безопасное и эффективное проведение реакции в реакторе, соответствие спецификациям продукта и минимальные производственные затраты.

В большинстве случаев определение размера реактора периодического действия означает определение объема реактора, необходимого для преобразования реагентов определенным образом и обеспечения достаточного перемешивания и теплопередачи.

Чтобы получить от реактора наилучшие характеристики, процесс проектирования и определения размеров может включать эксперименты, моделирование и модели.

В реакторе периодического действия время, необходимое для достижения определенного уровня конверсии, зависит от того, насколько быстро протекает реакция и какой степени конверсии вы хотите добиться.

Таким образом, чтобы определить правильный объем реактора периодического действия для определенной реакции, вам придется подумать о таких вещах, как скорость реакции, начальные концентрации реагентов, желаемый уровень конверсии и количество времени, в течение которого реактор будет работать.

Эта информация может быть использована для определения правильного размера реактора периодического действия путем расчета таких параметров, как константы скорости реакции и стехиометрические коэффициенты.

В отличие от CSTR и PFR, которые могут непрерывно обрабатывать большое количество реагентов с течением времени, реакторы периодического действия могут одновременно обрабатывать только определенное количество реагентов.

Таким образом, реактор периодического действия может быть не в состоянии обрабатывать такое же количество частиц А в день, как реактор непрерывного действия.

Но реакторы периодического действия по-прежнему полезны для небольших операций, тестирования новых процессов, которые еще не полностью разработаны, и производства дорогостоящих продуктов.

Короче говоря, реакторы периодического действия состоят из нескольких важных частей, таких как корпус реактора, реакционная среда, свободное пространство и мешалка.

У них есть преимущества, такие как гибкость и возможность использования более чем для одной цели, но у них также есть проблемы, такие как обратное микширование.

Чтобы спроектировать и определить размер реактора периодического действия для определенной реакции, вы должны подумать о таких вещах, как кинетика реакции, теплопередача, массоперенос, перемешивание и фазовое поведение.

Расчеты в реакторах периодического действия

Уравнение баланса молей и ряд реакций

Для реактора периодического действия с последовательной реакцией нам нужно использовать уравнение молярного баланса, чтобы выяснить, сколько вещества находится в реакторе.

Уравнение баланса молей используется, чтобы выяснить, насколько быстро меняется количество каждого моля в реакторе.

Уравнение молярного баланса для реактора периодического действия:

dN_i/dt = r_i*V

где N_i — количество молей вида i, t — время, r_i — скорость реакции для вида i, а V — объем реактора.

Всякий раз, когда мы хотим знать, сколько каждого вида находится в реакторе периодического действия во время последовательной реакции, мы можем использовать это уравнение.

Определение размеров реактора периодического действия для омыления для горячего процесса

Омыление – это химический процесс, превращающий жиры и щелочь в мыло.

Для горячего процесса омыления используется реактор периодического действия.

Для горячего процесса размер реактора периодического действия для омыления будет зависеть от того, сколько мыла необходимо приготовить и какое мыло производится.

В дополнение к размеру реактора площадь поверхности реактора также может влиять на скорость протекания реакции.

Eсли вы используете реактор с перегородками или реактор с более высоким соотношением сторон, вы можете увеличить площадь поверхности.

Для процесса горячего омыления температура реактора должна поддерживаться между 70°C и 85°C.

Cколько времени займет реакция, зависит от того, сколько мыла вы хотите сделать.

Это может занять от нескольких часов до нескольких дней.

Реактор периодического действия можно использовать для изучения кинетики омыления.

Используя реактор периодического действия с магнитным перемешиванием и стеклянную рубашку, учащиеся могут вычислить константы скорости реакции второго порядка при различных температурах.

Реакцию омыления также можно использовать для определения реакции превращения в трубчатом реакторе с насадкой.

Тестирование и оптимизация в реакторах периодического действия

Выполнение испытаний реактора периодического действия с твердыми телами

При проведении испытания в реакторе периодического действия с твердым веществом твердые и жидкие реагенты обычно смешивают в сосуде с мешалкой.

Затем смесь оставляют реагировать на определенное время.

После этого твердое вещество обычно отделяют от жидкости фильтрованием или центрифугированием.

Затем, чтобы узнать, как далеко зашла реакция, измеряют концентрацию интересующих веществ в жидкой фазе.

Планируя испытание в реакторе периодического действия с твердым веществом, вы также должны подумать о размере частиц твердого вещества, начальной концентрации реагентов и желаемом уровне конверсии.

Испытание модифицированного лабораторного реактора периодического действия

Биодеградация летучих органических соединений в активном иле была протестирована в лабораторном реакторе периодического действия.

Тест был изменен, чтобы включить твердофазную микроэкстракцию (SPME) волокон для отбора проб в газовой фазе.

Это устраняет необходимость в вытяжной трубе и упрощает работу с твердыми веществами.

Cистемы секвенирующего реактора периодического действия (SBR)

Реактор периодического действия последовательного действия (SBR) представляет собой систему с активным илом, которая очищает сточные воды путем заполнения и последующего слива.

В этой системе сточные воды помещаются в один реактор периодического действия.

Два или более реактора периодического действия используются в установленном порядке, чтобы получить максимальную производительность системы.

Cистемы SBR использовались для очистки сточных вод как городов, так и заводов.

Уравнение материального баланса

Уравнение материального баланса можно использовать, чтобы выяснить, что происходит в реакторах периодического действия, когда происходят химические реакции.

Например, уравнение d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV можно использовать для реакторов периодического действия с хорошим перемешиванием, поскольку интегралы легко вычислить благодаря хорошему перемешиванию внутри реактора.

Полупериодические реакторы

Полупериодические реакторы имеют черты как реакторов периодического действия, так и реакторов с мешалкой, которые работают постоянно (CSTR).

Они могут добавлять сырье во время реакции, как CSTR, но они заполнены реагентом в начале, как реакторы периодического действия.

В большинстве случаев полупериодические реакторы используются, когда в реакцию необходимо медленно добавить один реагент или когда реакция слишком горячая, чтобы ее можно было проводить в реакторе периодического действия.

Обзор реактора периодического действия

Cовет: включите кнопку подписи, если она вам нужна. Выберите «автоматический перевод» в кнопке настроек, если вы не знакомы с разговорным языком. Возможно, вам придется сначала нажать на язык видео, прежде чем ваш любимый язык станет доступным для перевода.

Cлучаи использования

Заключение

В конце концов, реактор периодического действия является важным инструментом для инженеров-химиков во многих различных областях.

Он позволяет очень точно контролировать условия реакции, что важно для получения однородных высококачественных продуктов.

Но даже несмотря на то, что реактор периодического действия — отличная технология, это не панацея.

Он не может быть использован для всех видов реакции, потому что он имеет некоторые недостатки.

Наша работа как инженеров состоит в том, чтобы постоянно придумывать новые идеи и опробовать новые технологии, которые могут помочь нам обойти эти проблемы и упростить производство сложных химических продуктов.

Мы можем сделать лучшее будущее для себя и планеты, если раздвинем границы возможного.

Так что давайте продолжать искать и пробовать новые вещи, чтобы найти лучшие, более эффективные и более долгосрочные решения.

Cсылки и ссылки

Молебалансы:

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

Реакторы в технологических процессах:

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering